工業(yè)相機(jī)-鏡頭-光源講解(機(jī)械手CCD)

機(jī)器視覺（機(jī)、鏡頭光源）全面括視系統(tǒng)原理描述機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩）被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)根像素分和亮度、顏色等信息變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。視系統(tǒng)組成部分視覺系統(tǒng)主要由以下部分組成照明光源鏡頭工業(yè)攝像機(jī)圖像采處理卡圖像處理系統(tǒng)其它外部設(shè)備相機(jī)篇詳細(xì)介紹：工業(yè)相機(jī)又俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于C（ChargeCoupledDevice）或（MetalOxideSemiconductor）芯片的相機(jī)。CCD是前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件CCD的出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同其它器件是以電流或者電壓為信號(hào)類像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包后驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相由光學(xué)鏡頭、時(shí)及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模/字信號(hào)處理電路組成CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)圖傳感器的開最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年初90年代初期隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工藝技術(shù)的發(fā)展CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展CMOS像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路模轉(zhuǎn)換電路圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上具局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖傳器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。、分類：任何東西分類一定有它自己的分類標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)相機(jī)也不例外，按照芯片類型可以分為CD相機(jī)、CMOS相；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線相機(jī)、面陣相機(jī)；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)逐掃相機(jī)按分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)高分辨率相機(jī)；按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；按照輸出色彩可以分為單白）相機(jī)、彩色相機(jī)；按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。區(qū)別：工業(yè)相機(jī)的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)不易損壞，連續(xù)工作時(shí)間長，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機(jī)一天工作24小或連續(xù)工作幾天肯定會(huì)受了的。工業(yè)相機(jī)的快門時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體。例如把片貼在電風(fēng)扇扇葉上以最大速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)置合適的快門時(shí)間業(yè)機(jī)抓拍一張圖像能清晰辨別名片上的字體通的相機(jī)來抓拍不能達(dá)到同樣效果的。3工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的普通的相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜品率低出量少世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如Dalsa、Sony，而且價(jià)格昂貴。4、業(yè)相機(jī)幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)。工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)只能拍攝2-3幅像，相差較大。5、業(yè)相機(jī)出的是裸數(shù)(rawdata)其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視(Machine應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了壓，圖像質(zhì)量較差，不利于分析理。6、業(yè)相機(jī)(IndustrialCamera)相普通相(來價(jià)格較貴。如何選擇：1、據(jù)應(yīng)用不同分別選用CCD或CMOS相CCD工相機(jī)主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)物體的圖像提取如貼片機(jī)機(jī)器視覺然隨著CMOS技的發(fā)展，許多貼片機(jī)也在選用CMOS工業(yè)相機(jī)。用在視覺自動(dòng)檢查的方或行業(yè)中一般用CCD工相機(jī)比較多。CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低應(yīng)用越來越廣泛。2、辨率的擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機(jī)像素精單方向視野范圍大小相單方向分辨率。則相機(jī)單方向分辨=單方向視野范圍大/論精度。若單視野為5mm長理論精度為0.02mm則單方向分辨=5/0.02=250。然而為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性不只用一個(gè)像素單對應(yīng)一個(gè)測/察精度值一般可以選擇倍數(shù)4或高這樣該相機(jī)需求單方向分辨率為1000，選用萬像素已經(jīng)足夠。其次看工業(yè)相機(jī)的輸出，若是體式觀察或機(jī)器軟件分析識(shí)別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸或USB輸，在顯示器上觀，則還依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機(jī)的分辨率再高顯器分辨率不夠，也是有意義的用儲(chǔ)卡或拍照功能工相機(jī)的分辨率高也是有幫助的。3、鏡頭的配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸C或CS安座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）；4、機(jī)幀數(shù)擇當(dāng)被測物體有運(yùn)動(dòng)要求時(shí)，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。鏡頭篇鏡頭的基本功能就是實(shí)現(xiàn)光束變換（調(diào)制），在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)?；虹R頭匹配大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時(shí)需要選擇與攝像機(jī)接口和CCD的寸相匹配的鏡頭鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接攝像機(jī)得到普及FA行業(yè)則大部分是C接的攝像機(jī)與鏡頭的組合。對應(yīng)的CCD尺、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸產(chǎn)品。CCDCCD尺水平：H

垂直：V

對角：D型/31/2型1/3型1/4型35mm片

12.89.616.08.86.611.06.44.88.04.83.66.03.62.74.536.024.043.3互換性C口鏡頭可以與C口攝像機(jī)、接攝像機(jī)互用；CS接鏡頭不可以應(yīng)用在C接攝像機(jī)，只可以應(yīng)用在CS接攝像機(jī)。KERARE攝像機(jī)如果使用配備小尺的鏡頭，那周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色，我們稱其為KERARE鏡的用將折射率不同的各種硝材通過研磨工成高精度的曲面把這些鏡頭進(jìn)行組合就是設(shè)計(jì)鏡頭從利略時(shí)代開始使用的遍技術(shù)是其基本原理得到更清晰的圖像一在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。焦距焦距是主點(diǎn)到成像面的距離個(gè)值決定了攝影范圍的不同值小像距離主點(diǎn)近，是短焦距鏡頭這情況下的的角是廣角可拍攝廣大的場景相的主到成像面的距離遠(yuǎn)時(shí)、是長焦距鏡頭，畫角變窄（望遠(yuǎn)）。鏡頭通光量鏡頭的明亮度與口徑和焦距的變化有關(guān)。一般用F值表示鏡頭的明亮度，另外鏡頭里有用于調(diào)整亮度的光圈構(gòu)件，可根據(jù)使用條件來調(diào)整通光量。鏡頭計(jì)算公式Y(jié)=f*tanθy：像的大小f焦距θ半畫角-1*y/2f例：寸像機(jī)配12.5mm鏡時(shí)畫面向的視場面是：-1*6.4/2*12.5=28.72鏡頭的景深物體和鏡頭之間距離W.D）雖然變化，在前后一定范圍內(nèi)所成像仍然感覺清晰，這個(gè)距離范圍補(bǔ)稱為景深相的，對于確定的物平面，成像面和鏡頭之間的距離不同，但在一定的范圍內(nèi)圖像仍感覺清晰，稱為焦深。計(jì)算方式：景深=F*（1/βε容許彌散園參數(shù)2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01β率。工業(yè)鏡頭選擇不同工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量有著有著千差萬別，就算是同一類型的工業(yè)鏡頭也是如此，這主要是由于材質(zhì)工精度和鏡片結(jié)構(gòu)的不同等因素造成的時(shí)也導(dǎo)致不同檔次的工業(yè)鏡頭鏡頭價(jià)格從幾百元到幾萬元的巨大差異較名的如四片三組式天塞鏡頭片組式雙高斯鏡頭。對于鏡頭設(shè)計(jì)及生產(chǎn)廠家，一般用光學(xué)傳遞函數(shù)OTF(OpticalTransfer來合評(píng)價(jià)鏡頭成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)傳遞的是亮度沿空間分布的信息，光學(xué)系統(tǒng)在傳遞被攝景物信息時(shí)傳遞之各空間頻率的正弦波信號(hào)調(diào)度和位相在成實(shí)際像時(shí)的變化，均為空間頻率的函數(shù)，此函數(shù)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)般由調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(ModulationTransferFunction)與位傳遞函數(shù)PTF(PhaseTransferFunction)兩部分組成。像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差由軸上某一物點(diǎn)向光學(xué)統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束該光學(xué)系列折射后若光束不同孔徑角的各光線不交主軸上的同一位置至在主軸上的理想像平面處成一彌散光斑俗稱模糊)則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。慧差由于主軸外的某一軸外點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束經(jīng)該光學(xué)系列折射后若理想像平面處不能結(jié)清晰點(diǎn)是結(jié)成拖著明亮尾巴的慧星形光斑此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。像散由于主軸外的某一軸外點(diǎn)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束經(jīng)該光學(xué)系列折射后不結(jié)成一個(gè)清晰像而只能結(jié)成一彌散光斑此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。場曲垂直于主軸的平面物體經(jīng)學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的清晰影像不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)而一以主軸為對稱的彎曲表面上最佳像面為一曲面則光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。當(dāng)調(diào)焦至畫面中央處的影像清晰時(shí)，畫面四周的影像模;當(dāng)調(diào)焦至畫面四周處的影像清晰時(shí)，畫面中央處的影像又開始模糊。色差白色物體向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出一束白光學(xué)系統(tǒng)折射后色光不能會(huì)聚于一點(diǎn)上，而形成一彩色像斑為色差差生的原因是同一光學(xué)玻璃對不同波長的光線的折射率不同，短波光折射率大，長波光折射率小?；儽晃锲矫鎯?nèi)的主軸外直光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變畸像差只影響影像幾何形狀而影響影像的清晰度這畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區(qū)別。在評(píng)價(jià)工業(yè)鏡頭質(zhì)量時(shí)一般還會(huì)從分辨率、明銳度和景深等幾個(gè)實(shí)用參數(shù)判斷：分辨率Resolution)：稱鑒別率、解像力，鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力，制約工業(yè)鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象，即衍射光(愛里斑。分辨率的單位“線對毫米(lp/mm)。明銳度(：也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。景深：景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結(jié)成相對清晰的影像上述位于調(diào)焦物平面后的能結(jié)成相對清晰影像的景物間之縱深距離就是能在實(shí)際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為景深。最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該工業(yè)鏡頭的入射光孔直(D示)焦距用f表)之比，即：相對孔=D/f。對孔徑的倒稱為光圈系(aperture，稱為制圈系數(shù)或光孔號(hào)碼一鏡頭的相對孔徑是可調(diào)節(jié)的最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在工業(yè)鏡頭上如1:1.2或f/1.2如拍攝現(xiàn)場的光線較暗曝光時(shí)間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的工業(yè)鏡頭。工業(yè)鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系一支好的工業(yè)鏡頭在辨率明銳度景等方面都有很好的體現(xiàn)對種像差的校正也比較好但同時(shí)其價(jià)格也會(huì)幾倍至上百倍的提高果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)就可以使用同檔次的工業(yè)鏡頭達(dá)到更好的效果。1.距大小的影響情況焦距越小，景深越大;焦距越小，畸變越大;焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降;2.光大小的影響情況光圈越大，圖像亮度越高;光圈越大，景深越小;光圈越大，分辨率越;3.像中央與邊緣一般像場中心較邊緣分辨率高一般像場中心較邊緣光場照度高4.光長度的影響光源篇機(jī)器視覺系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個(gè)方面就是選擇正確的照明視覺光源直接影響到圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的性能。所以我們說光源起到的作用：就是獲得對比鮮明的圖像。為什么要用光源？機(jī)器視覺系的核心是圖像采集和處理有息均來源于圖像之中像身的質(zhì)量對整個(gè)視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵光則影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素問它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少的應(yīng)用效果通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)圖中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離以大降低圖像處理算法分割、識(shí)別的難度時(shí)高系統(tǒng)的定位、測量精度系的可靠性和綜合性能得到提高反之如光源設(shè)不當(dāng)會(huì)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。因此，光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源的作用至少有以下幾種：>.照亮目標(biāo)，提高目標(biāo)亮度>.形成最有利于圖像處理的像效果；>.克服環(huán)境光干擾，保證圖的穩(wěn)定性；>.用作測量的工具或參照；由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備對每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例計(jì)影的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。機(jī)器視覺系統(tǒng)的光源的價(jià)值也正在于此。圖像的質(zhì)量好壞，也就是看圖像邊緣是否的銳利，具體來說：將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大盡量消隱不感興趣部分提高信噪比，利于圖像處理減少因材質(zhì)、照射角度對成像的影響常用的有光鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。目前光源最常用，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：·制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；·根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時(shí)調(diào)節(jié)亮度；·過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；·用壽命長；·應(yīng)快捷，可在10微或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大亮度；·源帶有外觸發(fā)，可以通過計(jì)算機(jī)控制，起動(dòng)速度快，可以用作頻閃燈；·行成本低、壽命長的，在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢；·根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。LED光按狀通可為下類:1、形光源環(huán)形光源提供不同照射角度不顏色組合更能突出物體的三維信息高度LED陣列，高亮度；多種緊湊設(shè)計(jì)，節(jié)省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴(kuò)散應(yīng)領(lǐng)域:PCB基檢測IC件檢測顯微鏡照明液晶校正塑容器檢測，集成電路印字檢查2、背光源用高密度列面提供高強(qiáng)度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺(tái)。紅白兩用背光源藍(lán)多用背光源，能調(diào)配出不同顏色足同被測物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)械零件尺寸的測量，電元件IC的外型檢測，膠片污點(diǎn)檢，透明物體劃痕檢測等。3、形光源條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物的首選光源色根據(jù)需求搭配自由組合照射角度與安裝隨意可調(diào)。應(yīng)用領(lǐng)域金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測LCD面檢測等。4、同軸光源同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影而減少干擾部分采用分光鏡設(shè)計(jì)減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應(yīng)用領(lǐng):系列光源最適宜于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測Mark點(diǎn)定位，包裝條碼識(shí)別。5、專光源不同角度的三色光照明照凸焊錫三維信息外加漫射板導(dǎo)光，減少反光；不同角度組合；應(yīng)用領(lǐng):用于電路板焊錫檢。6、積分光具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部度射的光線，使整個(gè)圖像的照度十分均勻。應(yīng)用領(lǐng):于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強(qiáng)的物體表面檢測。7、形光源超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。應(yīng)用領(lǐng)陣相機(jī)照明專用，專。8、點(diǎn)光源大功率LED體積小，發(fā)光強(qiáng)度高；光纖鹵素?zé)舻奶娲?，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng):適合遠(yuǎn)心鏡頭使，用于芯片檢測，Mark點(diǎn)定位